Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin Dijital Kontrolü için Vhdl

Neden VHDL Yenilenebilir Enerji Dijital Kontrol için Önemlidir

Dünya sürdürülebilir güce doğru geçişini hızlandırdığı için, yenilenebilir enerji sistemlerinin güvenilirliği ve verimliliği onları yöneten dijital kontrol elektroniklerine bağlıdır. Photovoltaic arrays, rüzgar türbinleri ve pil depolama birimleri tüm hızlı, deterministic ve gürültü-immun kontrol kontrol kontrol kontrol kontrol mantığını maksimum enerji, güvenli ağ kontrol etmek ve donanımlarını korumak için gereklidir. VHDL - VHSIC Hardware Description Dil - Bu alandan bağımsız olarak, çünkü mühendislere zamanlayıcı ve sentezleme sağlar ve sentezleyici kontrol mantığını sağlar.

Bu makale, VHDL'nin yenilenebilir enerji sistemlerinin tam spektrumunda nasıl uygulandığını inceler ve daha sonra temiz teknoloji alanına veya enerji sistemlerine uygun bir donanım mühendisi olup, en yüksek güç noktası izleme (MPPT), rüzgar türbini ve yaw düzenleme, ve pil yönetimi ile ilgili ayrıntılı tasarım örnekleri inceleyeceğiz.

Güç Kontrolünün Context of VHDL in the Context of Power Control

VHDL, 1980'lerde ABD Savunma Bakanlığı tarafından bir belge ve simülasyon aracı olarak geliştirildi. On yıl boyunca, her şeyi basit kombinasyon mantığından karmaşık hale getirebilen tam özellikli bir donanım açıklaması diline dönüştü.

• [FONT:0]Concurrent execution[[[Dönetici:0)[[[Dönetici:0))[[[Döneticileri) aynı anda çalıştırıyor, aynı anda paralel donanım doğasını aynalıyor. Bu, birden çok sensör girişlerini okumak gibi görevler için kritiktir, PWM görev döngülerini güncellemek ve aynı saat döngüsünde hata algılama mantığı uygulamaktır.
• [FONT:0)Strong tipleme ve zenginlik[DÜT:1) – VHDL hassas güç elektroniklerinde donanıma yol açan yaygın kodlama hataları uygular (örneğin, [[0), [[ŞUFONTFLT:0), [[Dönder|0)
• [FONT:0)Hierarchical modülerity[Dönetici:0)[Döneticiler ve mimariler, mühendislere doğrulanmış kontrol bloklarının kütüphanelerini oluşturmalarına izin verebilir (örneğin, PWM jeneratörleri, ADC arayüzleri)
• [FONT=0)Bit-akcurate simülasyon[[Dönetici: 1))[Dönemli diller aksine, VHDL gerçek biraz seviye zamanlaması ve yayılım gecikmeleri taklit eder, mühendislerden silikona girmeden önce zamanlama marjlarını ve glitch-free işlemi doğrulamasını sağlar.

Eş zamanlı vs. Sequential Modeling

VHDL, iki temel modelleme stili sağlar.TheurFLT:0Conconcurrent[[Dönemli)[Dönemli)[FONT:0)))) Bu tür, yazılımlar, veri akışı tanımlamak için ifadeler kullanır ve sonlu devlet makineleri için ifadeler üretir. - yenilenebilir enerji kontrolü, kombinasyonel bir tasarım iki: örneğin, ölçülen bir kombinasyonlu bloklar, ölçülen gerilim ve referanslar arasındaki hatayı uygularken, bir şarj sistemindeki her zaman.

Solar Energy'de VHDL: maksimum Power Point Takip

Güneş panelleri, mevcut olmayan bir görüntünün (I-V) özelliğine sahiptir, çünkü en yüksek enerjiyi elde etmek için, bir kontrol panelinin çalışma noktasını sürekli olarak ayarlamalıdır - bu, maksimum Power Point İzleme (MPPT) algoritmasının görevidir.

Perturb & Observe (P&O) VHDL'de Algoritma

En basit MPPT yöntemi, Perturb & Observe, DC-DC dönüştürücünin görev döngüsünde küçük bir perturbasyonu yüklere yükseltiyor.Eğer ortaya çıkan güç artışları varsa, perturbasyon aynı yönde devam eder; aksi takdirde, tersine döner.

• [FOC arayüzü[[Dönetici:0)] - Dış analog sayısal dönüştürücülerden gelen ve kayıtlarda değerleri depolayan bir devlet makinesi.
• [FONT=0)Power hesaplama[Dönetici:0)[Dönetici:0))[I)))[I)P = V × I (genellikle bir boru hattı kullanarak çok basit bir hız için).
• [FONT:0]Comparator ve yön mantığı[Dönetici: 1) Önceki güçle mevcut gücü karşılaştıran ve yeni perturbasyon yönünü belirleyen bir süreçtir.
• [FONT:0)PWM jeneratörü) - Değişken görev döngüsü sinyalini dönüştürücü geçişi kontrol eden bir karşı tabanlı blok.

Gelişmiş uygulamalar da dijital filtrelerin geçiş geçicilerinden gürültüyü azaltmak ve en yüksek güç noktasına yakın salınımları önlemek için minimum adımlı limitler içerebilir. Çünkü tüm MPPT döngüsü donanımda çalışır, güncelleştirme oranları 100 kHz'yi aşıyor, sistemi geçmenin bulutları geçmelerine izin verebilir.

Aremental Davranış ve Fractional Open-Circuit Ger

Daha yüksek hassasiyet için, Incremental Davranış (IncCond) algoritması, bir devlet makinesi kullanarak birden fazla saat döngüsünde bölünmüş durumda (I/V) Bu yöntem, P&O'nun sürekli devlet koşullarındaki salınımını önlemek için bir boru hattını gerektirir.

Güneş MPPT algoritmaları ve onların donanım uygulamaları hakkında daha fazla okuma için, IEEE'nin “Döneticileri Güç Elektronikinde Benzerlik) birçok vaka çalışması yayınlamaktadır. yaygın olarak kullanılan bir kaynak “Süresel Algoritmalar için Karşılaştırmalı Bir Çalışma” ([Dönetici:2).IEEE Xplore), çeşitli çevresel koşullar altında hangi performansları yayınlamaktadır.

Rüzgar Enerji Kontrolü VHDL ile

Rüzgar türbinleri farklı bir kontrol zorluklarını sunar. Mekanik inertia büyük, rüzgar hızları çalkanır ve güç trenleri (gearbox, jeneratör, güç dönüştürücüleri) aşırı gustlerden korunmalıdır. VHDL sık sık sık sık kontrol elektroniklerinde bıçak atış, nacelle yaw ve dovlyfedilen indüksiyon jeneratörleri (DFIG) veya kalıcı senkronizasyon jeneratörleri (DFIG) için güç elektronik arayüzleri tarafından dağıtılır.

Blade

Saha kontrolü, rotor hızını ve aerodinamik torkunu düzenlemenin aktısını ayarlar. Üst derece derece derece derece alanlı bir akış ve mekanik stresin önlenmesi için güç yakalamasını sağlar.Bir VHDL tabanlı alan kontrolörü genellikle sabit kayıtlarda depolanır veya sabit bir şekilde yapılır; sabit kullanımlar sabit bir şekilde yapılır.

Yaw Control and Tower Shadow Compensation

Yaw kontrol, rüzgarın en üst düzeye çıkmasını sağlamak için rüzgara yol açıyor. VHDL kontrolörleri yaw kullanım rüzgar yön sensörleri (örneğin, ultrasonik anemometreler) ve sabit bir saat ile basit bir teleskopun sağladığı yüksek çözünürlükte bir uygulama kulenin gölge tazminatını içeriyor.

DFIG ve PMSG için Güç Paketi Kontrolü

Modern rüzgar türbinleri, güç dönüştürücüleri aracılığıyla ağla bağlanır. DFIG sistemleri için, rotor-side dönüştürücüler aktif ve reaktif gücü kontrol eder, ancak grid-dönüşümlü dönüştürücüler DC-link gerilimi ve ağ senkronizasyonu sağlar. VHDL, Xilinx (şimdilik) ve uzay-vector PWM nesli ile ilgili kontrolleri içeren IP çekirdekleri ile verimli bir şekilde gerçekleştirir.

Enerji Depolama Sistemleri ve Battery Yönetimi

Battery enerji depolama, güneş ve rüzgarın geçici çıktısını temizlemek için gereklidir. Battery Management System (BMS) gerilim, mevcut, sıcaklık ve şarj durumu (SoC), ve hücre dengeleme ve korumayı yönetirken, birçok BMS işlevleri mikro kontrol edici gözetim, kritik güvenlik ve kontrol görevleri VHDL tabanlı mantıktan yararlanır.

Devlet Başkanı

Doğru SoC tahminleri genellikle Coulomb sayını bir Kalman filtre ile birleştirmektedir (veya daha basit bir genişletilmiş Kalman filtresi). VHDL'de, Coulomb say bütünleştiricisi basit: karşı bir sayacı mevcut ve zaman ürününüzü kullanır.The Kalman filtresi, ancak kaynak yoğun maliyetli sistemler için kök hesaplamaları içerir.Arsalı bir yaklaşım, yüksek çözünürlükte bir sinyalli bir sinyal sistemi kullanarak, matrix denklemi kullanarak son derece basit bir şekilde sabitlenir.

Hücre Balancing ve Koruma Mantık

Pasif dengeleme, yüksek gerilimli hücrelerden gelen enerjiyi bir dirençle tanımlarken, geçişli veya uygun devreler kullanılarak hücreler arasındaki aktif dengeleme transferleri enerjilerini azaltır. Denge algoritması genellikle ADC'den hücre gerilimi okuyan bir devlet makinesidir, dengeleme işlemine ihtiyaç duyan hücreleri tanımlar ve şu anda, aşırı sıcaklık - aynı zamanda hassas bir şekilde yapılırsa, VHDL'nin koncurrent kapasitesi, birden fazla şarj edilebilirliği olmadan kontrol edilebilir.

Bir VHDL tabanlı BMS tasarımı Texas Instruments uygulama raporunda ayrıntılı olarak tartışılmaktadır (Dönesel Battery Yönetimi Sistemi) “Demokrat makineleri, iletişim arayüzleri (SPI, I2C), ve redcy.

VHDL Yenilenebilir Enerji Kontrolörleri için Tasarım Çalışması Akışı

Yenilenebilir enerji için dijital bir kontrol geliştirmek VHDL kodu yazmaktan daha fazlasını içerir. Aşağıdaki aşamalar simülasyon sadakat, donanım kaynağı kullanımı ve titiz testleri dengelemek için bir üretim hazır iş akışı temsil eder.

Sistem tanımı ve Katılımcı

İlk adım kontrol gerekliliklerini tanımlamaktır: örnekleme oranı, PWM çözümü, kontrol döngüsü, hata yanıt süreleri ve iletişim protokolleri. daha sonra sistem yazılım ve donanım alanlarına bölmek. Tipik olarak ayarlanan bir sistemde, FPGA (programlanmış VHDL) PWM nesli, sensör okuması ve mantık seviyesi iç içe geçmiş bir arastır.

RTL Design ve Simülasyon

VHDL kodu kayıt-dönüşüm seviyesinde yazılır (RTL). Her modül bir disiplin yapısı izler: ModelSim, GHDL veya Vivado Simulator işlevselliğini doğrulamak için kullanılır. Testbenches enjekte ediyor (ramping gerilimleri, değişkenleri, geçici artışlar) ve FSM geçişlerini doğru bir şekilde kontrol eder.

Synthesis, Place, ve Route

Simülasyon geçtikten sonra, VHDL kodu, hedef saat frekansı ve giriş / kesintiler gibi bir net liste haline getirilir ve hedef FPGA veya ASIC'den gelen Synthesis araçları (Quartus Prime) veya Intel (Quartus Prime), DSP blokları, BRAM) ve zamanlama kesintileri için, yenilenebilir enerji kontrolleri için, toplantı süresi kritik öneme sahiptir, çünkü PWMXift'in düşük maliyetli olması gerekir.

Donanım-Loop (HIL) Test-

Dağıtımdan önce, VHDL kontrolörü, bitkinin gerçek zamanlı simülasyonuna karşı test edilir (olar paneli, Türbin, batarya). Typhoon HIL ve OPAL-RT gibi şirketler, FPGA tabanlı gerçek zamanlı simülatörü sağlar - güç elektronik ve mekanik dinamik dinamiklerin ayrıntılı bir modelini uygularlar.

VHDL'nin Verilog ve Yüksek Lisans Synthesis ile Karşılaştırması

Alana giren mühendisler genellikle hangi donanım açıklama dilinin yenilenebilir enerji kontrolü için en iyi olduğunu soruyorlar. Her iki VHDL ve Verilogu yeteneğine sahiptir, ancak VHDL'nin fiilleri ve güçlü tiplemeleri zaten güvenlik benzeri uygulamalar için bir avantaj olabilir, çünkü kod daha kendini ifade eden yanlış eşleştirmelere eğilimlidir.

Xilinx Vitis HLS gibi yüksek çözünürlükte araçlar, mühendisler C/C++'da kontrol algoritmaları yazmalarına ve otomatik olarak RTL'yi üretirken, HLS karmaşık DSP zincirlerinin tasarımını hızlandırır (örneğin, Kalman filtreleri), çoğu zaman devlet-makul kontrol mantığını kullanarak daha az verimli donanım üretir.

VHDL ve Datalog for Industrial control için ayrıntılı bir karşılaştırma, )VHDL vs. Verilog: Karşılaştırma[[Dönetici: 1) Doulos'tan gelen "Dönetici", farklı tasarım bağlamındaki güçlü yönleri vurgular.

FPGA- bazlı yenilenebilir enerji kontrolü ile ilgili en son araştırmalar için, IEEE Power Electronics Society, netleştirilmiş Photovoltaic Systems) ile ilgili düzenli bir donanım ve seçilmiş Topics in Power Electronics[FLT] Son bir kağıt, ).